大豆秸秆生物炭对黄土中硫转化及微生物群落的影响

发布时间：2020-09-30 19:09

　　硫是植物生长发育必需的中量元素,在土壤营养元素中占据重要的地位。近年来,与世界上许多国家和地区一样,中国黄土高原土壤缺硫的现象已经成为影响作物产量的重要因素。土壤中硫的含量对土壤生态系统中微生物的生长和增殖,微生物群落结构有很大的影响。土壤缺硫会使农作物的产量降低,并且可以抑制豆类作物的固氮作用。随着土壤缺硫现象越来越严重,与之相关的土壤改良和土壤修复技术的研究也越来越多。生物炭是生物质在完全或部分缺氧的条件下热解炭化产生的材料,向土壤中施加生物炭可以改变土壤的理化性质,生物炭已被作为一种良好的土壤改良剂使用。研究表明,生物炭对土壤有机质含量(SOM),土壤pH值,土壤电导率(EC)及其他土壤性质有一定影响。由于较大的表面积和特殊的孔隙结构,生物炭在提高微生物丰度和治理贫硫土壤方面具有广阔的应用前景。本研究在300℃和600℃的温度条件下热解大豆秸秆,制备得到大豆秸秆生物炭BC300和BC600。分别将BC300和BC600以1%、3%和5%(w/w)的施加率施加于100 g黄土土壤样品中。这些处理记为BC300-1、BC300-3、BC300-5、BC600-1、BC600-3和BC600-5。每种处理设置三个平行样,与空白对照一起恒温培养15周,并在第0、3、6、9、12和15周,测定土壤样本的理化性质、酶活性和土壤中各形态硫含量。第15周,对土壤样本进行DNA提取和PCR扩增测序分析鉴定硫氧化细菌,并研究生物炭施入后微生物群落的变化。本研究的主要结果如下:(1)较高的热解温度引起了大豆秸秆生物炭理化性质的变化。随着热解温度从300℃升高到600℃,生物炭pH从7.87增加到8.42,灰分含量从13.5%增加到15.5%,BET表面积从2.00增加到13.84 m~2·g~(-1)。(2)向黄土中施加生物炭,土壤理化性质和土壤酶活性随生物炭的施加发生显著性变化。培养15周后,BC300的施加量分别为1%、3%和5%时,土壤pH值分别比对照高3.1%、3.4%和5.3%。BC600的施加量分别为1%、3%和5%时,土壤pH值分别比对照高2.9%、4.5%和5.9%。电导率(EC)的变化趋势与pH值的变化趋势相似,但却更显著,BC300和BC600的施加量为5%时,其电导率(EC)的增量分别为25.6%和36.6%。培育初期,土壤中有机质(SOM)略有增加,但在第9周后,逐渐低于对照。培育15周后,施加BC300的脲酶活性比对照组高8.1%~10.2%,施加BC600的土壤脲酶活性比对照组低2.5%~8.6%。土壤中过氧化氢酶活性的变化不大,与生物炭的施用无显著性关联。(3)不同生物炭对土壤中各形态硫的影响各不相同。施加生物炭后,土壤中总硫、水溶性硫、有机硫含量变化显著,吸附性硫和盐酸可溶性硫无显著性变化。其中,土壤中水溶性硫和有机硫含量的变化最显著。培育第3周,生物炭的施加均提高了土壤中水溶性硫的含量,且提高量较大。对比第15周的数据,有机硫的含量均低于或远低于对照组。(4)施加BC600土壤中硫氧化菌和溶杆菌属的相对丰度最高。BC600处理的溶菌菌相对丰度为2.84%~4.19%,BC300处理的溶菌菌相对丰度仅为1.24%~2.38%。所有样品的优势菌种主要为变形杆菌门、双生单胞菌门、放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门。大多数生物炭处理的土壤变形杆菌相对丰度较对照组(27.3%)有所增加,其中BC300-5和BC600-5最高,分别为34.2%和35.2%。在所有生物炭处理中,以BC300-1和BC600-3处理差异最大(14.6%),分别为22.0%和23.6%,芽单胞菌门的相对丰度显著增加。生物炭降低了放线菌和绿弯杆菌的相对丰度,但对拟杆菌和酸杆菌的影响不大。研究表明,大豆秸秆生物炭不仅使黄土的硫转化和理化性质发生了显著变化,而且引起了黄土微生物群落的变化。研究结果表明,大豆秸秆生物炭对土壤微生物群落和硫矿化具有良好的作用,可作为黄土土壤改良剂应用。
【学位单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S156.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 Introduction
    1.1 The role and importance of sulfur in soil
        1.1.1 Availability of sulfur and its role in soil
        1.1.2 The sulfur cycle and sulfur transformations in soil
    1.2 The role and importance of microorganisms in soil
        1.2.1 Microbial community and soil health
        1.2.2 The role of microorganisms in sulfur transformations
    1.3 Development of biochar as a soil amendment
        1.3.1 Background
        1.3.2 Production and basic characteristics of biochar
    1.4 Research background,significance,and objectives
        1.4.1 Research background and significance
        1.4.2 Research content and objectives
        1.4.3 Technical flowchart
2 Production and characterization of biochar
    2.1 Introduction
    2.2 Materials and methods
        2.2.1 Raw materials and production method
        2.2.2 Analysis methods
    2.3 Results and discussion
        2.3.1 pH
        2.3.2 Ash content
        2.3.3 Surface area and SEM images
        2.3.4 Elemental composition
        2.3.5 X-ray diffraction(XRD)
    2.4 Conclusion
3 Effect of biochar on soil quality and enzyme activity of loess
    3.1 Introduction
    3.2 Materials and methods
        3.2.1 Experimental design
        3.2.2 Soil sampling and basic properties
        3.2.3 Analysis methods
    3.3 Results and discussion
        3.3.1 Effect of biochar on soil pH
        3.3.2 Effect of biochar on soil electrical conductivity(EC)
        3.3.3 Effect of biochar on soil urease and catalase activity
        3.3.4 Effect of biochar on soil organic matter(SOM)
    3.4 Conclusion
4 Effect of biochar on sulfur transformations
    4.1 Introduction
    4.2 Materials and methods
        4.2.1 Experimental design
        4.2.2 Total sulfur
        4.2.3 Water-soluble sulfur
        4.2.4 Adsorbed sulfur
        4.2.5 HCl-soluble sulfur
        4.2.6 Organic sulfur
        4.2.7 Data analysis
    4.3 Results and discussion
        4.3.1 Effect of biochar on total sulfur
        4.3.2 Effect of biochar on water-soluble sulfur
        4.3.3 Effect of biochar on adsorbed sulfur
        4.3.4 Effect of biochar on HCl-soluble sulfur
        4.3.5 Effect of biochar on organic sulfur
        4.3.6 Effect of biochar on sulfur transformations
    4.4 Conclusion
5 Effect of biochar on soil microbial community and its role in sulfur transformations
    5.1 Introduction
    5.2 Materials and methods
        5.2.1 Experimental design
        5.2.2 DNA extraction,sequencing,and PCR amplification
        5.2.3 Data processing
        5.2.4 Statistical analysis
    5.3 Results and discussion
        5.3.1 Relative abundance of microbial community
        5.3.2 OTU analysis
        5.3.3 Rarefaction analysis
        5.3.4 Nonmetric multidimensional scaling(nMDS)analysis
        5.3.5 Principle component analysis(PCA)
        5.3.6 Linear discriminant analysis(LDA)effect size(LEfSe)
        5.3.7 Effect of biochar on microbial community structure and its role in sulfur transformations
    5.4 Conclusion
6 Conclusions and future research
    6.1 Conclusions
    6.2 Future research
Acknowledgements
References
Research Achievements and Awards

【相似文献】